JPS583215B2 - オンキヨウコウガクソシ ノ セイゾウホウ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超音波光回折現象を利用した光偏向器、光変
調器等の音響光学素子において、広い周波数範囲で動作
させるために超音波波面を周波数とともに傾けるように
設計された階段構造を持つ素子の製造方法に関する。

超音波による光回折現象を利用した光偏向、変調素子等
のいわゆる音響光学素子においては、通常その素子に対
する光の入射角を一定に保ったまま、超音波の周波数を
変化させて光偏向或いは変調を行なっていた。

しかるに、光回折現象は入射光ビームが媒体中で、超音
波波面に対して次式で与えられるブラッグ角θＢ （ここにｋは空気中での光の波数、ｎは媒体の屈折率、
Ｋは媒体中の超音波の波数）で入射する時に、同じくθ
Ｂで反射されるものであり、入射角がθＢからずれた時
には、回折能率が減少する。

回折効率ηの入射角依存性は ここに Ｘ＝ＫＬ（θ−θＢ）／２ （３）（
Ｌは光と超音波が相互作用を行なう長さ、θは媒体中で
測った入射角である）で与えられる。

このようにブラッグ角θＢは超音波周波数の関数である
から、先に述べたように、ある一定の中心超音波周波数
ｆ０に対して（１）式のブラッグ条件をみたすように、
光の入射角をセットした状態で、超音波周波数ｆを変化
させると、中心周波数ｆ０に対するずれに従ってブラッ
グ角を変化し、回折効率（２），（３）式に従って減少
する。

（３）式から解るように、広帯域で動作させるために超
音波周波数を高くする場合、即ちＫを大きくする場合、
また光回折能率を上げるためにＬを長くする場合におい
てはｆ０からのずれによる回折効率の減少の割合が著じ
るしくなり、実用上大きな制約因子となっていた。

これを防止するために、Ｋｅｒｐｅｌ等（ Ｐｒｏｃｅ
−ｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ ５４ （１
９６６） ｐｐ−１４２９−１４３７）は第１図に示す
ような階段型構造を持つ素子を作成した。

即ち超音波を伝播させると共に光ビートと相互作用を行
なわせる媒体１の一面は階段状をなし、その各段に超音
波トランスジューサ２〜５が取付けられる。

階段の高さｈを、中心周波数での超音波波長Λ０の１／
２に、隣接するトランスジューサ間隔ＳをΛ。

２／ｎλ（λは空気中での光の波長）に選定される。

かつトランスジューサ２〜５はその隣接するものが逆位
相になるように高周波電源６により励振され、光ビーム
７は媒体１の階段形成方向と平行に媒体１に入射される
。

このようにすると一定の光入射角に対して、広い周波数
範囲で近似的にプラッグ条件を満足するように超音波波
面が等価的に傾斜する。

この構造における階段の段数は実験の結果、最低４段必
要であることが報告されている。

通常は４段から１０段程度が使われる。

また一般的な素子の大きさは、トランスジューサを取り
付ける媒体面が５ｍｍ×５ｍｍ〜１０ｍｍ×１０ｍｍ程
度で、媒体の高さが５〜２５ｍｍ程度である。

トランスジューサ間隔Ｓは、上記したごとくΛ０２／ｎ
λに選定される。

Λ０＝ｖ／ｆ０（Ｖは媒体中の音速）であるから、トラ
ンスジューサ間隔Ｓはｆ０２に反比例する。

偏向器は通常、中心周波数ｆ０が１００〜２００ＭＨｚ
の範囲で使用されることが多い、したがって、トランス
ジューサ間隔Ｓは０．３〜１．２ｍｍ程度と小さなもの
になる。

さて、このような階段型構造音響光学素子を作るには、
従来、まず媒体１の表面を機械的研磨あるいは化学的エ
ッチング等により、階段状に仕上げ、その階段状の各段
面上に希望する厚みのトランスジューサ２〜５をそれぞ
れ接着するか、あるいは最終目標厚より厚いトランスジ
ューサを接着後研磨する。

この場合、トランスジューサの厚味が著しく薄く、これ
を接着する媒体１の階段状の各段面の平面度、平行度が
充分よいことが要求される。

しかしその加工が極めて困難であった。特に例えば数１
０ＭＨｚ以上で動作させる素子を作成する場合には、著
しく高い精度の平面度が要求され、加工上の困難さがま
すます増大する傾向にあった。

また超音波を均一にかつ能率よく媒体１に送り込むため
には、接着の際にかなりの圧力（例えば５０ｋｇ／ｃｍ
２以上）を必要とするため、最初から目標厚に研磨（例
えば中心周波数１５０ＭＨｚでは通常２０μ程度の厚み
となる）したトランスジューサでは機械的に弱く破損の
恐れがあった。

一方、厚いトランスジューサを接着後研磨するには高い
平面度と平行度を実現するには素子の階段構造のため非
常な困難を伴ない、これが満足されない場合には得られ
た素子の特性に悪影響を及ぼすことになる。

この発明は上述した階段状構造の音響光学素子を比較的
容易に、かつ高精度に作る製造方法を得んとするもので
ある。

このため本発明では第２図Ａに示すように超音波と光と
が相互作用を行なう直方体状の媒体１の平面をなす一面
１ａに短冊状トランスジューサ２〜５が平行に配列して
接着される。

この場合トランスジューサ２〜５が取付けられる面１ａ
は所要の平面度に研磨される。

この面に取付けられたトランスジューサ２〜５は所定の
厚味（通常２０μ程度）に研磨された後、トランスジュ
ーサ２〜５の表面に電極が蒸着又は塗布により被着され
る。

次に点線で示すようにそれぞれ１個のトランジューサを
含むように面１ａに対して垂直に媒体１を切断して素片
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを第２図Ｂに示すように得る。

この切断面は光学的に研磨して高い平面度、平行度をも
ち、所定の寸法Ｓとなるように仕上げる。

ここで素片の寸法は、巾５〜１０ｍｍ、高さ５〜２５ｍ
ｍ，厚さＳ０．３〜１ｍｍ程度となる。

次に第２図Ｃに示すようにトランスジューサ２〜５が取
付けられた面がその面と略直角な方向において順次所定
値だけずらした状態で組合せて階段構造を得る。

素片８ａ〜８ｂ間の接着方法として最もすぐれているも
のは光学的接着法で、光ビーム７をほとんど完全に損失
なしに媒体１中を伝播させうる。

その他屈折率が媒体１とマッチした透明な接着剤で素片
を貼り合わせてもよく、必要に応じて防反射膜を挾むこ
とも可能である。

さらに、周辺部に接着剤９をつげ、上記接着を補強させ
ることもでき、或いは接着剤９のみで保持させることも
可能である。

要するに、光学的品質を全《落とさずに、各素片は光学
的に従続接続される。

接着部での超音波ビームの乱れの問題があるが超音波の
回折角にみあった量だけ階段の平坦部の長さをトランス
ジューサの長さに比して長くしておけばその問題は解決
する。

超音波の回折は周波数に逆比例して小さくなるから、こ
の発明製造法が特に有用な高周波においては、上記長さ
の比を小さくすることができる。

また、通常媒体１にはトランスジューサの接着された面
と対向する面に超音波吸収体を附加して媒体１中の超音
波がその面で反射しないように構成される。

よって超音波回折にきく伝播長としては、トランスジュ
ーサの接着された面とその対向面間の距離のみを考えれ
ばよい。

尚、第２図Ａにおいてトランスジューサ２〜５を用いる
かわりに、一枚の大きなトランスジューサを接着、研磨
し、その後媒体１とともに切断し、第２図Ｂのように各
素片にわける方法をとることも極めて有効である。

これは中心周波数ｆ０が高くＳが小さい場合（例えば０
．５ｍｍ以下）に特に有効な方法である。

第２図Ｃにおいて各素片は必らずしも密着している必要
はないができるだけなめらかな超音波波面の傾きを得る
には、間隔が狭い方がよい。

以上説明したように、本発明製造方法においては音響光
学媒体を階段構造とする前に、トランスジューサを取付
ける面を所要の平行度や平面度に仕上げた後に、トラン
スジューサを取付け、このトランスジューサを所定の厚
さに研磨し、しかる後媒体を切断して階段構造に組合せ
るものであるから、音響的、光学的、音響光学的特性を
損なうことなく優れた階段構造の音響光学素子が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの階段構造の音響光学素子を示す斜視図、第
２図は本発明製造方法の一例を示す工程図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超音波と光とが相互作用をなす直方体状の媒体の一
   つの面にトランスジューサを被着し、該トランスジュー
   サを所定の厚さに研磨した後、該トランスジューサの被
   着面と直交する方向に上記媒体を切断して上記トランス
   ジューサが一端面に被着された複数の素片を形成し、該
   素片の一端面がその面と直角な方向において順次ずらさ
   れるように組合せて階段構造にすることを特徴とする音
   響光学素子の製造法。